Caractérisation multi-échelle des dommages de fatigue dans l'enrobé tiède basée sur des essais de balayage d'amplitude linéaire et de flexion quatre points

Résumé

Cette étude établit un cadre solide à plusieurs échelles reliant la mécanique de l'endommagement du liant à la performance en fatigue du mélange, démontrant que les paramètres du test de balayage d'amplitude linéaire associé au modèle simplifié de dommages viscoélastiques en milieu continu (LAS–S-VECD) fournissent une base fiable et fondée sur des mécanismes pour prédire et concevoir des systèmes de béton bitumineux à température réduite durables.

Résumé

La fissuration par fatigue est un facteur critique déterminant la durabilité à long terme des chaussées en asphalte, tandis que la relation multi-échelle entre le comportement en fatigue du liant et la performance en fatigue du mélange reste insuffisamment comprise pour les enrobés à température réduite (WMA). Dans cette étude, les caractéristiques de fatigue des WMA ont été systématiquement analysées à la fois aux échelles du liant et du mélange afin d'établir des corrélations quantitatives multi-échelles. Des essais au rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR) et des essais de balayage linéaire d'amplitude (LAS), interprétés à l'aide du cadre du dommage viscoélastique continu simplifié (S-VECD), ont été utilisés pour caractériser les propriétés rhéologiques et l'évolution du dommage de liants asphaltiques provenant de différentes origines de pétrole brut. La performance en fatigue à l'échelle du mélange a été évaluée par des essais de flexion en fatigue à quatre points sous contrôle de déformation. Les résultats montrent que le vieillissement augmente significativement la rigidité du liant et accélère la dégradation en fatigue, le facteur de fatigue G*·sin δ augmentant d’environ 150 à 250 % après un vieillissement à long terme. L'efficacité de la modification en WMA à l'échelle du liant dépendait fortement du liant, comme en témoigne une réduction de 8 à 13 % du coefficient de vitesse de dommage pour les liants A et B, mais une augmentation d’environ 11 % pour le liant C. Les indicateurs rhéologiques classiques tels que sin δ ont montré une capacité limitée et dépendante du matériau à prédire la durée de vie en fatigue du mélange, tandis que les paramètres de dommage dérivés des essais LAS–S-VECD ont présenté des corrélations systématiquement fortes avec la performance en fatigue à l'échelle du mélange. Dans l'ensemble, cette étude démontre que la caractérisation du dommage du liant basée sur LAS–S-VECD fournit une base solide pour prédire la résistance à la fatigue du mélange et soutient son application dans la formulation de mélanges fondée sur la performance, en vue de chaussées WMA durables et durables.

Introduction

La construction conventionnelle des chaussées en asphalte repose sur un traitement à haute température, généralement comprise entre 160 °C et 180 °C, et dépassant 190 °C pour les liants modifiés tels que l'asphalte modifié au caoutchouc et les bitumes polymères à haute performance. Dans des applications spécialisées, notamment les chaussées de ponts métalliques, les températures de mise en place in situ du mélange peuvent dépasser 200 °C¹. Ces conditions thermiques extrêmes entraînent une consommation importante de combustibles fossiles et génèrent des émissions atmosphériques significatives, notamment des gaz à effet de serre et des vapeurs d'asphalte dangereuses riches en composés solubles dans le benzène et en hydrocarbures aromatiques polycycliques cancérigènes (par exemple, le benzo[a]pyrène)^2,3. Des études antérieures ont montré de façon constante que la réduction des températures de production et de compactage de l'asphalte permet de diminuer la consommation de carburant, les émissions de CO₂ et l'exposition professionnelle aux vapeurs d'asphalte, bien que l'ampleur de ces avantages dépende du type de mélange, de la configuration de l'usine, de la dose d'additif et des conditions de construction sur site. Des études récentes ont approfondi la compréhension du comportement de l'asphalte sous diverses modifications et conditions d'utilisation. Il a été rapporté que l'ajout de lignosulfonate de calcium dans les mélanges d'asphalte peut efficacement retarder le vieillissement thermo-oxydatif en inhibant les réactions d'oxydation et en stabilisant la structure colloïdale des liants asphaltiques.

En ce qui concerne le comportement à la rupture, les études menées sur les enrobés à chaud (HMA) et les enrobés à température réduite (WMA) sous des conditions de chargement purement en mode I et en mode II ont démontré que le mode de chargement joue un rôle crucial dans la ténacité à la rupture à basse température et la dissipation d'énergie. La sensibilité à l'humidité a également été largement étudiée dans les systèmes d'asphalte modifié au caoutchouc, où les matériaux en caoutchouc recyclés améliorent la résistance aux dommages induits par l'humidité, et une teneur optimale en caoutchouc peut être déterminée par des approches combinées d'évaluation mécanique et économique. En ce qui concerne les performances à haute température, l'enrobé bitumineux à matrice verrouillée (SMA) modifié a été évalué à l'aide d'essais de fluage dynamique et de dispositif de suivi de roue de Hambourg, confirmant que la modification du mélange améliore significativement la résistance au roulement. De plus, des études basées sur la flexion en demi-cercle (SCB) sur des mélanges d'asphalte incorporant des additifs recyclés ont montré des améliorations notables de la résistance à la rupture en mode I et de la résistance aux dommages dus à l'humidité, mettant en évidence les effets synergiques des matériaux recyclés sur la performance en fatigue et la durabilité. Par conséquent, le développement de technologies d'asphalte à basse température s'est imposé comme une voie essentielle vers une construction durable de chaussées et des systèmes d'infrastructure respectueux de l'environnement.

La technologie des enrobés à température réduite (WMA), obtenue par l'ajout d'additifs chimiques, de cires organiques ou par des techniques de moussage, permet une production efficace du mélange à des températures généralement comprises entre 90 °C et 130 °C, soit une réduction de 30 à 50 °C par rapport aux enrobés chauds conventionnels (HMA)⁴. Au-delà de ses avantages bien documentés en matière de réduction de la demande énergétique et des émissions de polluants, le WMA joue un rôle clé dans l'atténuation du vieillissement thermo-oxydatif des liants asphaltiques pendant la production et la mise en œuvre. Le vieillissement de l'asphalte est régi par des cinétiques chimiques dépendantes de la température, les taux d'oxydation doublant approximativement pour chaque augmentation de 10 °C^5,6. Les températures élevées accélèrent les réactions de volatilisation, d'oxydation et de polymérisation, transformant progressivement les maltènes en asphaltènes rigides, augmentant ainsi la rigidité du liant tout en réduisant sa ductilité⁷. En abaissant les températures de production, le WMA freine ces réactions néfastes, préserve la viscoélasticité du liant et pourrait améliorer la résistance à la fatigue à long terme⁸.

Bien que les avantages environnementaux et constructifs des enrobés à température réduite (WMA) aient été largement rapportés, les études systématiques sur leur performance en fatigue sous conditions de vieillissement restent relativement limitées. En particulier, les liants asphaltiques provenant de différentes sources de pétrole brut—telles que Karamay, les gisements offshore de CNOOC et les matières premières de CNPC—présentent des variations marquées en composition chimique, notamment en teneur en asphaltènes, en distribution des résines, en fractions aromatiques et en niveaux de saturés⁹. Ces différences compositionnelles sont largement reconnues comme des déterminants fondamentaux du comportement rhéologique, de la sensibilité au vieillissement et de la durabilité en fatigue¹⁰. Néanmoins, les études existantes sur la fatigue différencient rarement les liants selon l'origine du pétrole brut, ce qui conduit à une compréhension incomplète de la manière dont la chimie dépendante de la source gouverne la performance en fatigue, notamment sous un vieillissement cumulatif représentatif des conditions réelles d'utilisation^11,12. D’un point de vue technique, une méthode fiable d’évaluation de la fatigue à l’échelle du liant serait particulièrement utile pour le criblage préliminaire des matériaux, le choix des additifs pour mélange à chaud, l’évaluation de la sensibilité au vieillissement et le contrôle qualité avant la vérification à l’échelle du mélange. Toutefois, le test LAS–S-VECD ne doit pas être considéré comme un substitut complet aux essais de fatigue sur mélange, car la granularité des granulats, les vides d’air, l’interaction liant-granulat, la qualité de compactage et le vieillissement sur site peuvent également influencer la performance en fatigue de la chaussée. Par ailleurs, la relation entre les indicateurs de fatigue à l’échelle du liant et le comportement en fatigue à l’échelle du mélange n’a pas été établie de façon concluante pour diverses sources d’asphalte¹³. Bien que des essais rhéologiques tels que le balayage linéaire d’amplitude (Linear Amplitude Sweep, LAS) se soient révélés prometteurs pour caractériser l’endommagement en fatigue du liant, leur fiabilité prédictive concernant la durée de vie en fatigue du mélange—en particulier pour des liants ayant des origines chimiques distinctes—n’a pas encore été suffisamment validée¹⁴. Ce décalage limite la précision des prédictions de performance basées sur des essais en laboratoire et restreint le choix rationnel des matériaux dans la pratique technique¹⁵.

Pour combler ces lacunes essentielles, cette étude mène une investigation complète et multi-échelle du comportement en fatigue de liants bitumineux modifiés à chaud provenant de trois sources distinctes de pétrole brut¹⁶. En combinant l'analyse par rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR), des essais de balayage linéaire en amplitude (LAS) dans le cadre du modèle de dommage viscoélastique continu simplifié (S-VECD), ainsi que des essais de fatigue en flexion à quatre points à l'échelle du mélange, ce travail évalue systématiquement l'influence de l'origine du pétrole brut, de la modification à chaud et du vieillissement sur la résistance à la fatigue^17,18,19. Les résultats visent à établir des corrélations solides entre les propriétés rhéologiques du liant et les performances du mélange à différentes échelles, fournissant ainsi une base mécanistique pour la prédiction de la durée de vie en fatigue et offrant des recommandations pratiques pour la conception et le choix de matériaux bitumineux durables.

Cette étude présente un cadre de caractérisation de la fatigue à plusieurs échelles pour les enrobés à température réduite, en combinant une analyse du liant à l’échelle du matériau (LAS–S-VECD) avec des essais de fatigue en flexion à quatre points à l’échelle du mélange. Contrairement aux études antérieures, qui se concentraient principalement soit sur l’évaluation rhéologique du liant, soit sur l’évaluation des performances du mélange de manière isolée, ce travail établit un lien mécaniste direct entre la chimie du liant dépendante de la provenance du pétrole brut, la modification associée aux enrobés à température réduite et le comportement en fatigue du mélange dans des conditions de vieillissement. L’originalité de cette étude repose sur trois aspects : (i) l’intégration explicite de l’origine du pétrole brut comme variable déterminante de la performance en fatigue ; (ii) une corrélation systématique entre l’évolution de l’endommagement mesurée par la méthode LAS–S-VECD et la durée de vie en fatigue du mélange ; et (iii) une évaluation unifiée des effets de la modification pour enrobé à température réduite aux échelles du liant et du mélange. Les résultats montrent que les paramètres d’endommagement dérivés de la méthode LAS–S-VECD constituent des prédicteurs robustes de la performance en fatigue du mélange, offrant une alternative plus fondée sur les mécanismes aux indices rhéologiques conventionnels. Ces résultats établissent une base scientifique pour l’évaluation et la conception orientées vers la performance des systèmes d’enrobés à température réduite durables.

Protocole

Matériaux
Les trois liants bitumineux sélectionnés dans cette étude, résumés dans le tableau 1, sont des liants de chaussée représentatifs provenant de différentes sources de pétrole brut et sont largement utilisés dans l'ingénierie routière pratique en Chine. Le bitume de Karamay, le bitume CNOOC 36-1 et le bitume PetroChina diffèrent nettement par leur origine pétrolière, leur composition chimique, leur sensibilité au vieillissement et leurs caractéristiques rhéologiques, offrant ainsi une base matérielle appropriée pour étudier le comportement en fatigue dépendant de la source pétrolière. Leur sélection permet une évaluation comparative de l'influence de la composition intrinsèque du liant sur l'efficacité de la modification à température réduite et sur la performance en fatigue à l'échelle du mélange, renforçant ainsi la pertinence ingénierie du cadre proposé de caractérisation de la fatigue à travers les échelles. Les origines géologiques détaillées et les caractéristiques chimiques de chaque liant sont les suivantes :

Liants A : Dérivé d'une charge pétrolière lourde de la zone 9, produit par un procédé de mélange de résidu sous vide et d'asphalte déhuilé. Son matériau de base présente des propriétés distinctives, notamment une faible teneur en paraffine (<2 %), une concentration minimale en soufre et une forte teneur en résines. À noter que l'asphalte de Karamay est le seul liant routier dont la masse volumique est inférieure à 1 g/cm³ dans les applications actuelles en génie civil, et qu'il se caractérise par une viscosité dynamique élevée ainsi qu'une excellente rétention de la ductilité après vieillissement. Ces caractéristiques le rendent particulièrement adapté aux régions soumises à de fortes variations thermiques journalières et à une exposition intense aux rayons ultraviolets.

Liants B : Provenant du pétrole brut lourd rare extrait du champ pétrolier offshore de Suizhong 36-1, il présente un rendement élevé en bitume de 56 % après raffinage. La matière première est classée comme un pétrole brut lourd à base naphténique, déficient en soufre et à valeur acide élevée, ce qui confère au liant transformé une densité élevée (1,012 g/cm³), une faible teneur en paraffine (1,8 %) et des proportions élevées en résines. Ces propriétés confèrent au liant une excellente flexibilité à basse température, ce qui le rend avantageux pour des applications en environnement froid.

Liants C : Formulés principalement à partir de pétrole brut lourd vénézuélien de Boscan comme matière première de base, avec un rendement de production de 60 % obtenu par des procédés de raffinage spécialisés. Ce pétrole brut présente des caractéristiques géochimiques uniques, notamment une teneur élevée en acides, des concentrations importantes de métaux lourds et une forte propension à former des résidus carbonés. Le liant affiche une composition en hydrocarbures atypique, caractérisée par de faibles fractions d'hydrocarbures saturés, des complexes enrichis en résines et asphaltènes, et une teneur remarquablement faible en paraffines (1,3 %).

Dans cette étude, les trois liants asphaltiques de base ont été désignés AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) et CO (PetroChina). Les liants WMA correspondants ont été préparés en incorporant l'additif Evotherm M1, codés respectivement AP, BP et CP²⁰. Des indices complets de performance, incluant la pénétrabilité, le point de ramollissement et la ductilité, ont été évalués conformément aux spécifications JTG E20-2011²¹, les données comparatives détaillées étant présentées dans Tableau 1. Toutes les procédures expérimentales ont été rigoureusement suivies selon les protocoles normalisés décrits dans les Spécifications techniques relatives aux enrobés et aux bitumes utilisés en génie routier.

Projet	Unité	Karamay	CNOOC	CNPC
Pénétration	0.1 mm (15 °C)	22	22	24
	0.1 mm (25 °C)	72	68	71
	0.1 mm (30 °C)	112	110	116
PI	－	-1.14	-1.2	-0.81
TR&B	°C	46	46.5	47.5
Viscosité dynamique (60 °C)	Pa·s	223.5	230	256.9
Élongation (10 °C, 5 cm/min)	cm	>100	>100	52
Teneur en cire	%	1.9	1.8	1.3
Point d'éclair (COC)	℃	278	287	312
Solubilité	%	99.5	99.7	99.8
Densité (15 °C)	g/cm³	0.977	1.012	1.049
RTFOT	Changement de masse (%)	0.05	0.06	-0.07
	Rapport de pénétration résiduelle (%)	66.2	67.4	64.8
	Élongation résiduelle (10 °C, cm)	13	12	9

Tableau 1 : Paramètres techniques clés des liants bitumineux. Le tableau 1 résume les paramètres techniques clés des liants bitumineux, incluant les propriétés physiques, la sensibilité à la température, les caractéristiques rhéologiques et les performances en vieillissement à court terme, afin d'évaluer leurs propriétés fondamentales et leur durabilité.

Le processus de préparation du WMA comprenait un protocole rigoureusement contrôlé en plusieurs étapes, conçu pour assurer la reproductibilité de la modification du liant. Le liant asphaltique de base était d'abord chauffé dans une étuve à convection forcée à 135 ± 2 °C pendant 60 min afin d'obtenir un état fondu stable, puis laissé 30 min en équilibre thermique pour éliminer les gradients thermiques. Tous les chauffages étaient réalisés dans des récipients scellés sous protection d'azote (débit : 0,5 L/min) afin de minimiser le vieillissement oxydatif pendant la stabilisation thermique.

L'additif Evotherm M1 a ensuite été incorporé à 135 ± 2 °C sous agitation mécanique continue à 300 tr/min pendant 5 min avant le traitement à haute cisaillement, afin d'assurer une dispersion initiale de la phase tensioactive. Ensuite, un mélange à haute cisaillement a été effectué à l'aide d'un homogénéisateur rotor-stator à 3000 tr/min pendant 25 min, tout en maintenant la température du liant entre 135 et 140 °C à l'aide d'un système de contrôle de température par bain d'huile externe (précision ±1 °C). Tout au long du processus de mélange, la température a été surveillée en continu à l'aide d'un thermocouple calibré de type K inséré dans la matrice du liant, et toute fluctuation dépassant ±2 °C a déclenché automatiquement un ajustement du chauffage. Le liant modifié a ensuite subi une procédure de refroidissement contrôlé jusqu'à 25 °C à un taux de 5 °C/min avant les essais ultérieurs ou un stockage à court terme. La conception du protocole de cisaillement s'est basée sur la relation viscosité-température des liants asphaltiques, garantissant que tous les échantillons ont été préparés dans des conditions de cisaillement comparables. Ce contrôle strict des paramètres thermomécaniques assure une forte répétabilité et minimise la variabilité lors de la préparation des liants à faible température (WMA).

Essai au rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR)
Afin de caractériser la réponse rhéologique et les propriétés liées à la fatigue des liants asphaltiques modifiés avec des additifs pour enrobés tièdes, des essais au rhéomètre à cisaillement dynamique (DSR) ont été réalisés à l’aide d’un rhéomètre rotatif thermostaté conformément à la norme ASTM D7175²². L’évaluation rhéologique s’est concentrée sur le comportement en fatigue à température intermédiaire, qui est étroitement associé à l’amorçage et à la propagation de fissures dans les chaussées asphaltiques.

Le facteur de fatigue G*sin δ²³, largement reconnu comme un indicateur de la susceptibilité à la fatigue au niveau du liant, a été adopté pour quantifier les changements du comportement de dissipation viscoélastique induits par la modification à chaud et le vieillissement. Des essais de balayage en température ont été réalisés dans une plage de 58 à 82 °C, avec des incréments de température de 6 °C. À chaque température cible, les échantillons ont été laissés à l'équilibre pendant 10 min avant l'acquisition des données afin d'assurer une stabilité thermique. Afin d'étudier l'influence du vieillissement sur les propriétés rhéologiques, des échantillons de liant ont été soumis à trois conditions de vieillissement : non vieilli, vieillissement par essai de four à film mince tournant (RTFOT), et vieillissement combiné RTFOT et en enceinte sous pression (PAV) ²⁴. Ces protocoles de vieillissement ont été conçus pour simuler le vieillissement à court terme pendant la production et la mise en œuvre, ainsi que le vieillissement à long terme pendant l'exploitation en service de la chaussée. L'évolution de G*sin δ en fonction de la température et des conditions de vieillissement a été analysée afin d'évaluer la résistance à la fatigue des différents liants.

Avant chaque essai DSR, l'échantillon de liant était soigneusement paré après son chargement entre les plaques parallèles afin d'assurer un profil de bord uniforme. L'échantillon était conditionné à la température cible pendant 10 min avant la mesure. Les essais étaient réalisés entre 58–82 °C par incréments de 6 °C. Un essai était considéré comme valide lorsque le couple mesuré et le déplacement restaient dans la plage de fonctionnement recommandée par l'instrument, et qu'aucun glissement visible de l'échantillon ne se produisait.

Essai de balayage d'amplitude linéaire (LAS)
La caractérisation du comportement viscoélastique a été réalisée conformément aux spécifications ASTM D7175 pour l'analyse mécanique dynamique²⁵. La méthodologie expérimentale comprenait des balayages en amplitude de déformation afin de déterminer les limites viscoélastiques linéaires, suivis d'essais contrôlés en fréquence à 10 rad/s²⁶. Les évaluations dépendantes de la température ont couvert le spectre de températures opérationnelles des chaussées en bitume (58–82 °C), réalisées par incréments de 6 °C avec une durée de 10 minutes autorisée pour atteindre l'équilibre thermique à chaque étape isotherme. Le protocole AASHTO T391 a été utilisé pour quantifier l'accumulation des dommages dans le liant par l'évolution de l'énergie dissipée, en surveillant spécifiquement le facteur de dissipation viscoélastique (|G*|sin δ) pendant le chargement cyclique ^27,28. Le cadre simplifié de dommage viscoélastique continu (S-VECD) a été adopté pour prédire les schémas de dégradation des composites bitumineux²⁹. Le protocole LAS effectue un balayage oscillatoire d'amplitude à une fréquence fixe de 10 Hz, en appliquant une progression contrôlée de la déformation de 0,1 % à 30 % par incréments de résolution de 0,1 %.

Les principaux paramètres viscoélastiques ont été déterminés à l'aide des équations suivantes :

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

où G''ω) est le module de perte, ω est la fréquence angulaire, m et b sont des coefficients d'ajustement, G'(ω) est le module d'entreposage, G*ω) est le module complexe, δ(ω) est l'angle de phase, et est l'indice de viscoélasticité.

La quantification des dommages a utilisé la relation fondamentale exprimée dans l'équation (4) :

(4)

Dans la formule : C(t)— le paramètre d'intégrité, C(t)=G^* (t)/G^* (initial), G^* - module complexe (MPa) ;

γ_0—Application de la déformation (%) ;
t—Durée du test (s)

L'évolution temporelle du critère de dommage D(t) et du coefficient d'intégrité structurale C(t) est paramétrée mathématiquement à l'aide d'une relation constitutive en loi de puissance (Yuan 2024) :

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

Dans la formule : C0​ représente le paramètre d'intégrité initial (généralement égal à 1), C1, C2 — paramètres d'ajustement.

Calculer la valeur de l'endommagement par fatigue en utilisant le concept du point de pic de contrainte de cisaillement :

(6)

Cpeak est le paramètre d'intégrité correspondant au point de contrainte de cisaillement maximale.

La formule de calcul de la durée de vie en fatigue est la suivante :

N_f = A(γ_max)^-B (7)

Dans la formule : A, B — coefficient lié à la fatigue,

A = f × (Df)^{[1 + (1 - C₂ )a] / {[1 + (1 - C₂ )a] × (πC₁ C₂ )a}} (8)

B=2a, fréquence de chargement ;
γ_max — niveau de déformation maximal attendu (%)

Afin de garantir la fiabilité et la reproductibilité des résultats expérimentaux, tous les essais à l'échelle du liant et à l'échelle du mélange ont été réalisés avec au moins 3 réplicats indépendants (n = 3) par condition. Les résultats rapportés représentent les valeurs moyennes des mesures répétées. La variabilité des données expérimentales a été évaluée à l'aide de l'écart type (SD), et des barres d'erreur sont fournies dans toutes les figures pertinentes afin de refléter la dispersion statistique. Pour les paramètres LAS–S-VECD, les indices rhéologiques du DSR et la durée de vie en fatigue provenant des essais de flexion à quatre points, le coefficient de variation (COV) a été calculé en complément afin d'évaluer la cohérence des données.

Dans tous les cas, des différences statistiques entre les ligands modifiés et non modifiés ont été examinées afin de s'assurer que les tendances observées ne sont pas dues à une dispersion expérimentale, mais reflètent des différences statistiquement significatives en matière de fatigue et de comportement rhéologique.

Essai de fatigue en flexion quatre points
Afin de valider les indicateurs de fatigue au niveau du liant et d'établir des corrélations multi-échelles, des essais de fatigue en flexion quatre points ont été réalisés sur des bétons bitumineux préparés selon une granulométrie AC-16C^30,31. La granulométrie des granulats, leur densité apparente, leur masse volumique apparente globale et leur absorption d'eau pour chaque classe granulaire, ainsi que les propriétés du filler minéral, sont résumées dans le Tableau 2. La teneur en bitume de tous les bétons a été fixée à 4,8 % afin d'assurer une cohérence entre les différentes formulations de BBTM.

Taille du tamis (mm)	Catégorie d'agrégat					Granulométrie synthétique (%)
	1# (10~20 mm. 29 %)	2# (5~10 mm. 29,2 %)	3# (3~5 mm. 17 %)	4# (0~3 mm. 19 %)	Poudre minérale (5,8 %)
0,075	0	0,1	0	0,9	90,8	5,5
0,15	0,1	0,1	0	4,9	95,3	6,5
0,3	0,1	0,2	0	13	98,7	8,3
0,6	0,1	0,2	0	25,2	99,7	10,6
1,18	0,1	0,2	0	47,8	100	15
2,36	0,1	0,5	0	100	100	25
4,75	0,8	15,5	98,9	100	100	46,4
9,5	15,2	99,5	100	100	100	75,2
13,2	68,4	99,8	100	100	100	90,8
16	94,8	100	100	100	100	98,5
19	100	100	100	100	100	100
Densité relative apparente	2,899	2,918	2,845	2,754	2,872	2,865
Densité relative SSD	2,854	2,847	2,816	2,691	－	2,814
Gravité spécifique apparente	2,829	2,81	2,8	2,655	－	2,787
Taux d'absorption d'eau de l'agrégat (%)	0,85	1,32	0,56	1,36	－	－

Tableau 2 : Classification des granulats dans le mélange d'enrobé tiède. Le tableau 2 présente la granularité des granulats du mélange d'enrobé tiède, incluant les proportions des différentes fractions granulaires, la teneur en poudre minérale, la courbe granulométrique synthétique et les propriétés physiques des granulats. Ce tableau expose la distribution granulométrique conçue ainsi que les caractéristiques de base des granulats utilisés dans le mélange d'enrobé.

Des essais de fatigue en flexion quatre points ont été réalisés à l’aide d’un appareil d’essai Cooper dans des conditions de chargement contrôlé en déformation afin d’évaluer la durabilité à la fatigue des mélanges d’enrobé à température ambiante (WMA)³². Le critère de rupture a été défini comme le nombre de cycles de chargement nécessaires pour que la rigidité en flexion diminue jusqu’à 50 % de sa valeur initiale. Conformément au protocole d’essai établi³³, un chargement cyclique a été appliqué sous forme d’une onde sinusoïdale continue à une fréquence de 10 Hz dans des conditions isothermes de 15 °C. Tous les essais ont été effectués sans périodes de repos afin de garantir une introduction d’énergie ininterrompue durant le chargement en fatigue^34,35.

Des éprouvettes en forme de poutre ont été fabriquées conformément aux exigences dimensionnelles normalisées, avec une longueur de 381 ± 6,35 mm, une largeur de 63,5 ± 6,35 mm et une hauteur de 50,8 ± 6,35 mm³⁶³⁷. Dans des conditions de déformation contrôlée, la performance en fatigue a été caractérisée en traçant des courbes caractéristiques de fatigue pour des éprouvettes présentant différentes formulations d’enrobés à faible température (WMA) dans un système de coordonnées doublement logarithmique³⁸. Une relation constitutive de type loi de puissance a ensuite été établie, et une analyse de régression non linéaire a été utilisée pour ajuster les données de fatigue des divers mélanges d’asphalte, fournissant ainsi la base pour la modélisation ultérieure de la durée de vie en fatigue et pour l’analyse comparative^39,40,41. L’éprouvette en poutre a été montée symétriquement dans le dispositif de flexion à quatre points, et le contact entre les pinces de chargement et la surface de l’éprouvette a été vérifié avant le chargement. L’essai a été réalisé à 15 °C sous chargement sinusoïdal à déformation contrôlée à 10 Hz, sans périodes de repos. Le point final de l’essai a été défini comme le nombre de cycles auquel la rigidité en flexion a diminué jusqu’à 50 % de sa valeur initiale. Les essais ont été considérés comme valides lorsque la rupture s’est produite dans la section utile, et qu’aucun glissement anormal des pinces ni aucune rupture brutale non liée à la fatigue n’a été observé. Toutes les données quantitatives sont présentées sous la forme moyenne ± écart type (moyenne ± SD), avec une taille d’échantillon n = 3 pour tous les groupes expérimentaux, sauf indication contraire.

Résultats

Propriétés rhéologiques des enrobés à température ambiante
La zone interfaciale entre l'asphalte et les granulats est largement reconnue comme le site principal d'amorçage des fissures de fatigue. En conséquence, le paramètre rhéologique lié à la fatigue G*sin δ, mesurée à des températures de service intermédiaires, a été utilisée pour évaluer les performances en fatigue des liants d'enrobés bitumineux à température réduite (WMA). Figure 1 présente la variation de G*sin δ pour les liants modifiés à chaud et à température ambiante des asphaltés A, B et C. Tous les résultats quantitatifs sont exprimés en moyenne ± Écart-type (SD) basé sur trois mesures répétées (n = 3). Des comparaisons statistiques entre les liants initiaux et les liants modifiés à mélange tiède, à température identique, ont été effectuées à l’aide d’un test t pour échantillons indépendants, et les différences ont été considérées comme significatives au seuil de p < 0,05. Comme illustré dans Figure 1, G*sin δ diminue continuellement avec l'augmentation de la température pour tous les liants asphaltiques, indiquant une rigidité réduite liée à la fatigue à des températures intermédiaires plus élevées. Pour l'asphalte A, l'AP présente une rigidité significativement plus élevée G*sin δ des valeurs supérieures à celles de l'AO dans la plage de températures testée de 16 à 25 ˚ C (p = 0,025 (intervalle : 0,018–0,032), en diminution depuis 7685 ± 126 à 2480 ± 84 kPa, tandis que l'AO diminue de 5580 ± 112 à 1535 ± 76 kPa. De même, la PA montre une augmentation significativement plus élevée G*sin δ des valeurs supérieures à celles du BO de 22 à 28 (p = 0,021 (intervalle : 0,011–0,027), la pression artérielle diminuant de 7980 ± 138 à 3985 ± 105 kPa et BO diminuant de 6120 ± 120 à 1725 ± 82 kPa. Ces résultats suggèrent que l'additif pour enrobé à chaud augmente le facteur de fatigue des asphaltes A et B, entraînant une dissipation d'énergie visqueuse plus importante et une susceptibilité potentielle accrue à la fatigue au niveau du liant. En revanche, l'asphalte C ne montre qu'une légère différence entre CO et CP ; bien que CP soit marginalement plus élevé que CO à la même température, cette différence n'est pas statistiquement significative à la plupart des températures (p = 0,086–0,214). Plus précisément, CP diminue de 13,420 ± 185 à 4420 ± 96 kPa, tandis que le CO diminue de 13,080 ± 172 à 4350 ± 91 kPa, indiquant que l'additif pour mélange à chaud a une influence limitée sur le comportement rhéologique lié à la fatigue de l'asphalte C. Dans l'ensemble, les trois liants présentent des réponses différentes à la modification par l'additif pour mélange à chaud, reflétant l'influence de la source de l'asphalte sur les performances en fatigue. Les asphaltes A et B sont plus sensibles à l'additif pour mélange à chaud, tandis que l'asphalte C conserve une résistance à la fatigue relativement stable après modification.

En revanche, l'asphalte C n'affiche aucun changement significatif de G*sin δ après la modification par mélange à chaud, ce qui indique que l'additif de mélange à chaud exerce une influence limitée sur ses propriétés rhéologiques liées à la fatigue. Cette observation suggère que la composition chimique intrinsèque de l'asphalte C domine sa réponse viscoélastique, réduisant ainsi la sensibilité des paramètres liés à la fatigue aux modifications par additifs. Ces résultats mettent en évidence la nature dépendante de la source du pétroléum de l'effet de la modification par mélange à chaud. Les résultats des balayages en température révèlent des tendances rhéologiques cohérentes pour tous les liants testés. Lorsque la température augmente, le facteur de déformation G*/sin δ diminue continuellement, tandis que l'angle de phase δ augmente progressivement, indiquant une transition progressive vers un comportement dominé par la viscosité. Les températures élevées intensifient le mouvement moléculaire au sein du liant, affaiblissent les structures élastiques et réduisent la résistance à la déformation. Inversement, l'augmentation de la sévérité du vieillissement conduit à des valeurs plus élevées de G*/sin δ et à des angles de phase plus faibles, reflétant une rigidité accrue et une réponse plus élastique due au durcissement induit par le vieillissement.

Figure 1. Facteur de fatigue (G*sin δ) de différents liants asphaltiques en fonction de la température. (A) Asphalt A (Karamay) ; (B) Asphalt B (CNOOC 36-1) ; (C) Asphalt C (PetroChina/Venezuelan Boscan). AO, BO et CO désignent les liants asphaltiques initiaux, tandis que AP, BP et CP désignent les liants asphaltiques correspondants à mélange à chaud modifié. G*sin δ diminue avec l'augmentation de la température pour tous les liants, tandis que l'influence de la modification pour le mélange à chaud varie selon la source du liant. Veuillez cliquer ici pour consulter une version agrandie de cette figure.

Ces évolutions rhéologiques peuvent être attribuées aux changements de composition des liants asphaltiques durant le vieillissement thermooxydatif. Les composants de faible masse moléculaire sont progressivement transformés en structures de masse moléculaire plus élevée par des réactions d'oxydation et de polymérisation, augmentant ainsi le module complexe G*. Parallèlement, l'accumulation de produits d'oxydation polaires améliore le stockage de l'énergie élastique, se manifestant par une réduction de l'angle de phase. À mesure que le vieillissement progresse, le liant devient de plus en plus sensible aux variations de température, et la dépendance à la température des paramètres rhéologiques liés à la fatigue devient plus marquée.

Dans l'ensemble, les résultats démontrent que l'influence de la modification par mélange à chaud sur les propriétés rhéologiques liées à la fatigue du liant dépend fortement de l'origine du pétrole brut. Bien que l'additif pour mélange à chaud modifie le comportement de dissipation viscoélastique de certains liants, son efficacité est limitée par la composition intrinsèque du bitume de base et ses caractéristiques de vieillissement. Ces résultats soulignent la nécessité de tenir compte des propriétés spécifiques à la source de pétrole lors de l'interprétation des facteurs de fatigue basés sur le DSR et de l'évaluation des performances en fatigue des liants de bitume à mélange à chaud. L'augmentation liée au vieillissement de G·sin δ a été quantifiée à l'aide des données brutes du DSR résumées dans Figure 1. Les variations en pourcentage ont été calculées par rapport à l'état correspondant du liant non vieilli.

Essai de balayage d'amplitude linéaire
Les paramètres clés dérivés du cadre S-VECD sont résumés dans le Tableau 3. L'indice d'intégrité C caractérise quantitativement la dégradation progressive des liants asphaltiques sous chargement mécanique cyclique, C = 1 représentant l'état initial, sans dommage, et C = 0 correspondant à une rupture structurelle complète. En outre, les coefficients de régression C₁ et C₂ décrivent l'évolution de l'intégrité du matériau avec l'augmentation des dommages. Des valeurs plus faibles de C₁ et C₂ indiquent une stabilité structurelle améliorée à des niveaux de dommage équivalents, ce qui est directement associé à une meilleure résistance à la fatigue à l'échelle du liant. Comme indiqué dans le Tableau 3, le vieillissement augmente généralement C₁ et diminue C₂, suggérant une détérioration de l'évolution de l'intégrité du liant et de sa résistance à la fatigue. L'asphalte de Karamay présente la résistance la plus élevée à l'accumulation de dommages, avec les valeurs les plus faibles de C₁ et des valeurs relativement élevées de C₂, tandis que l'asphalte de CNPC présente une tendance opposée, indiquant des performances en fatigue plus faibles.

Type de bitume	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
Karamay vieilli	1434103	1	0.0132	0.7412	3.00 × 10⁵	2.87 × 10⁶
CNOOC	1415228	1	0.0178	0.7112	2.25 × 10⁵	2.83 × 10⁶
CNOOC vieilli	1400364	1	0.0155	0.7349	2.28 × 10⁵	2.80 × 10⁶
CNPC	1537043	1	0.0335	0.6077	4.38 × 10⁵	3.07 × 10⁶
CNPC vieilli	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

Tableau 3 : Paramètres liés à la méthode VECD. Le tableau 3 résume les paramètres du modèle ajusté pour trois liants asphaltiques dans des conditions non vieillies et vieillies. Les variations des paramètres reflètent les effets du type d'asphalte et du vieillissement sur les caractéristiques du modèle.

Figure 2 illustre les courbes d'évolution des dommages pour différents liants asphaltiques dans des conditions modifiées classiques et à mélange à chaud. À des niveaux de contrainte identiques, les systèmes d’asphalte à mélange à chaud (AMC) présentent un taux d’accumulation des dommages nettement inférieur à celui de leurs homologues classiques, indiquant une évolution des dommages plus favorable. Ce comportement suggère que la modification par mélange à chaud optimise le mécanisme de dissipation de l’énergie interne lors de chargements cycliques, améliorant ainsi la résistance à la fatigue. Les variations en pourcentage des coefficients de vitesse d’endommagement ont été calculées à partir des paramètres S-VECD ajustés énumérés dans Tableau 3, le liant non modifié servant de condition de référence.

Figure 2 : Caractéristiques de résistance à la fatigue selon différentes formulations de liants bitumineux. (A) Bitume A ; (B) Bitume B ; (C) Bitume C. AO, BO et CO représentent les échantillons de bitume d'origine, tandis que AP, BP et CP désignent les échantillons correspondants de bitume à température réduite. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Un examen détaillé des profils d'évolution des dommages révèle des différences marquées dépendant du liant. L'asphalte A modifié à chaud présente une résistance à la fatigue supérieure par rapport au liant non modifié, comme en témoigne la position plus favorable de sa courbe d'évolution des dommages. Ce résultat confirme que l'additif à chaud améliore efficacement la durabilité de l'asphalte A sous chargements répétés. En revanche, l'asphalte B montre une réponse négligeable à la modification à chaud, les liants modifié et non modifié suivant des trajectoires de progression des dommages presque identiques. Pour l'asphalte C, une amélioration dépendante d'un seuil est observée : le liant modifié à chaud surpasse l'asphalte de base uniquement lorsque la variable de dommage dépasse 100 unités, indiquant que l'efficacité de l'additif est principalement activée à des stades avancés de dommage.

Des comparaisons quantitatives de la durée de vie en fatigue issues de l'essai LAS sont présentées dans la Figure 3. Les variations observées dans le comportement en fatigue mettent davantage en évidence le caractère propre au matériau de l'interaction entre l'additif à mélange à chaud et le liant, dont l'efficacité est fortement déterminée par les caractéristiques compositionnelles intrinsèques de l'asphalte de base. Parmi les matériaux étudiés, l'asphalte de Qinhuangdao PetroChina présente la plus grande résistance à la fatigue, reflétant les avantages inhérents liés à la composition de sa matière première de base. En revanche, l'asphalte de Karamay montre l'amélioration la plus marquée après modification par ajout d'un mélange à chaud, soulignant le rôle crucial des propriétés de l'asphalte de base dans la détermination du potentiel d'amélioration des performances des additifs à mélange à chaud.

Figure 3. Comparaison de la durée de vie en fatigue entre les enrobés à chaud (HMA) et les enrobés à tiède (WMA) pour les trois liants asphaltiques. La durée de vie en fatigue ne diffère que légèrement entre les enrobés à tiède (WMA) et les enrobés à chaud (HMA) pour les trois types de liant. L'asphalte C présente la durée de vie en fatigue la plus élevée, suivie par l'asphalte A et l'asphalte B. Dans l'ensemble, les résultats indiquent que la modification en enrobé à tiède n'a qu'un effet modeste sur la durée de vie en fatigue, l'ampleur et le sens de cette variation dépendant du type de liant. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Bien que la modification par mélange à chaud ait généralement amélioré la performance en fatigue, l'ampleur de cette amélioration a été relativement modeste pour certains liants. Ce comportement peut être attribué au mécanisme de l'Evotherm M1, qui réduit principalement la température de production et atténue le vieillissement oxydatif à court terme, sans renforcer chimiquement la structure du liant. Par conséquent, l'amélioration en fatigue est modérée et fortement dépendante des caractéristiques intrinsèques du bitume de base. La cohérence entre les mesures répétées indique que les tendances observées sont reproductibles, malgré l'ampleur limitée de l'amélioration. Afin d'interpréter davantage le comportement en fatigue dépendant du liant d'un point de vue chimique, l'influence de la composition du pétrole brut sur les paramètres S-VECD et la performance en fatigue a été analysée. Les trois liants présentent des caractéristiques compositionnelles distinctes : des rapports aromatiques sur saturés plus élevés sont généralement associés à une meilleure redistribution des contraintes et à un retard dans l'accumulation des dommages, tandis que les systèmes riches en asphaltènes ont tendance à accélérer l'augmentation de la rigidité et à réduire la résistance à la fatigue.

Dans cette étude, l'asphalte provenant de Karamay présente une fraction aromatique relativement plus élevée et une teneur en saturés plus faible, ce qui correspond à des taux d'évolution des dommages plus bas (valeurs de C₁ réduites) et à une meilleure durée de vie en fatigue dans les essais à l'échelle LAS comme à l'échelle du mélange. En revanche, le liant provenant de PetroChina montre une proportion de saturés plus équilibrée mais relativement plus élevée, conduisant à un comportement intermédiaire d'accumulation des dommages selon le modèle S-VECD. L'asphalte provenant de CNOOC, caractérisé par des fractions liées à une polarité plus élevée déduites des propriétés du brut d'origine, présente une augmentation plus rapide de la rigidité sous chargement cyclique, traduite par des valeurs de C₁ plus élevées et une durée de vie en fatigue réduite. Ces résultats suggèrent que l'équilibre entre les fractions aromatiques et saturées régit les voies de dissipation d'énergie viscoélastique ainsi que l'évolution des dommages microstructuraux, influençant ainsi directement les paramètres S-VECD et la résistance à la fatigue. Dans l'ensemble, les résultats actuels doivent être considérés comme un cadre fondé sur des mécanismes mais conditionné par des limites spécifiques, plutôt que comme un modèle prédictif pleinement universel applicable à tous les systèmes d'asphalte.

Résistance à la fatigue à l'échelle du mélange
La résistance à la fatigue de mélanges bitumineux incorporant différentes technologies d'enrobés à température réduite (WMA) a été évaluée de manière systématique, et les résultats correspondants des essais de fatigue sont résumés dans le Tableau 4. Ces données quantifient la tenue des mélanges bitumineux sous chargement cyclique et révèlent des différences marquées en termes de durabilité en fatigue parmi les formulations WMA étudiées. La variabilité observée indique que la performance en fatigue à l'échelle du mélange dépend fortement de la composition du matériau et de la technologie d'enrobage à température réduite utilisée.

Type de bitume	Identifiant de l'échantillon	Porosité (%)	Niveau de déformation (με)	Durée de vie en fatigue (cycles)
Karamay	1	4,5	100	22 36 902
	2	4,3	100	18 30 625
	3	3,7	100	19 49 138
	4	4,5	150	3 06 655
	5	5,3	150	3 97 762
	6	4,9	150	2 98 042
CNOOC	1	4,2	200	52 315
	2	5,1	200	58 828
	3	5,3	200	67 762
	4	3,8	75	6 47 145
	5	4,3	75	5 63 675
	6	4,5	75	6 91 698
CNPC	1	3,6	100	47 343
	2	4,1	100	24 149
	3	4,7	100	18 495
	4	3,5	200	4 412
	5	4,1	200	2 269
	6	4,7	200	3 299

Tableau 4 : Résultats des essais de fatigue de mélanges bitumineux avec différents additifs pour enrobés à température réduite. Le tableau 4 résume les résultats des essais de fatigue de mélanges bitumineux utilisant différentes technologies d’enrobage à température réduite, incluant la durée de vie en fatigue et les paramètres de performance associés sous diverses conditions d’essai. Les résultats mettent en évidence les différences de résistance à la fatigue entre les mélanges bitumineux à température réduite et fournissent une base pour évaluer leur performance en fatigue.

Les performances en fatigue des composites bitumineux sont modélisées mathématiquement par l'équation (9), qui quantifie la dégradation cyclique des contraintes dans les matériaux de chaussée. Cette relation formalise la réponse en fatigue des formulations d'asphalte soumises à des chargements répétés, servant de cadre computationnel pour l'analyse de la durabilité :

(9)

Dans la formule : N_f——Durée de vie en fatigue du mélange bitumineux ;
ε——déformation ;
k, n——coefficient.

En se basant sur l'équation (9), une analyse de régression a été effectuée pour chaque mélange d'asphalte afin de calibrer les paramètres correspondants du modèle de fatigue. Les coefficients obtenus, k et n, fournissent une représentation quantitative des caractéristiques de dégradation en fatigue propres à chaque mélange et permettent une comparaison directe des performances en fatigue entre différentes formulations d'asphalte à faible température (WMA). Les paramètres calibrés de l'équation de fatigue sont résumés dans le Tableau 5.

Types d'asphalte	Équation de fatigue	k	n	R2
A	y = 2.463 × 1016x−5.029​	2.463 × 1016	5.029	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

Tableau 5 : Paramètres de l'équation de fatigue des mélanges bitumineux contenant différents additifs pour enrobes à température réduite (WMA). Le tableau 5 résume les paramètres de l'équation de fatigue des mélanges bitumineux contenant différentes technologies d'enrobage à température réduite, notamment les coefficients de régression et les paramètres du modèle utilisés pour décrire la relation entre la durée de vie en fatigue et les conditions de chargement. Ces paramètres fournissent une base quantitative permettant de prédire le comportement en fatigue et de comparer la résistance à la fatigue de différents mélanges bitumineux à température réduite.

Figure 4 présente les relations entre la durée de vie en fatigue et la déformation pour des mélanges de bitume contenant différents types d'AMR, basées sur les modèles de fatigue ajustés. Comme prévu, la durée de vie en fatigue de tous les mélanges diminue systématiquement avec l'augmentation de l'amplitude de déformation, ce qui est conforme au comportement classique en fatigue des matériaux composites bitumineux. L'analyse comparative des courbes de fatigue met en évidence une hiérarchie claire en termes de résistance à la fatigue des mélanges, la performance globale étant classée selon l'ordre suivant : Matériau C > Matériau A > Matériau B. Ce classement reflète la capacité relative de chaque mélange à supporter des cycles répétés de chargement avant la rupture, et est cohérent avec les paramètres de régression résumés dans Tableau 5.

Figure 4 : Profils de fatigue de mélanges bitumineux avec différents types de mélange à chaud réduit. Comme le montre la Figure 4, la durée de vie en fatigue de tous les mélanges bitumineux diminue avec l'augmentation du niveau de déformation. Parmi les trois mélanges bitumineux à chaud réduit, le mélange C présente la plus grande résistance à la fatigue, suivi des mélanges A et B. La durée de vie en fatigue nettement plus élevée du mélange C indique que cette technologie de mélange à chaud réduit améliore efficacement la résistance des mélanges bitumineux à l'accumulation des dommages par fatigue. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Dans des conditions équivalentes de vides d'air, la technologie des enrobés à faible température (WMA) offre des avantages notables en termes de performance à la fatigue en réduisant les températures de production et de compactage d'environ 20–30 °C. Cette réduction de température atténue le vieillissement oxydatif à court terme des liants bitumineux, qui constitue un facteur principal d'embrittlement à long terme. En préservant la viscoélasticité du liant et sa capacité à dissiper les contraintes, le WMA freine l'initiation et la propagation des microfissures sous chargement cyclique. Par conséquent, les dommages cumulatifs dus à la fatigue sont atténués, ce qui se traduit par une durée de vie en fatigue améliorée du mélange et une meilleure durabilité de la chaussée. Ces avantages sont essentiels pour prolonger la durée de service, réduire les besoins de maintenance et permettre le développement d'infrastructures routières plus durables et économiques. Afin d'examiner la cohérence entre le comportement à la fatigue à l'échelle du liant et à l'échelle du mélange, des corrélations entre le facteur de fatigue du liant G*sin δ et la durée de vie en fatigue du mélange N_f ont été analysées, comme illustré dans la Figure 5. Une relation statistiquement significative est observée pour tous les liants, indiquant que les propriétés rhéologiques du liant exercent une influence mesurable sur la performance à la fatigue du mélange. Notamment, le liant B présente une corrélation exceptionnellement forte (R² = 0,99, p < 0,001), suggérant que G*sin δ constitue un prédicteur fiable de la durée de vie en fatigue du mélange pour ce matériau. En revanche, les liants A et C montrent des corrélations relativement plus faibles (R² = 0,6051 et 0,7933), ce qui implique que la rhéologie du liant seule ne suffit pas à rendre entièrement compte du comportement à la fatigue du mélange pour ces systèmes.

Figure 5 : Corrélation entre le facteur de fatigue de l'asphalte G*sin δ et la durée de vie en fatigue du mélange N_f. (A) Asphalte A ; (B) Asphalte B ; (C) Asphalte C. La figure 5 indique que G∗sinδ présente une corrélation positive avec la durée de vie en fatigue du mélange, l'asphalte B montrant la plus grande cohérence, suivi de l'asphalte C puis de l'asphalte A. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Une validation supplémentaire à plusieurs échelles a été réalisée en corrélant les paramètres d'évolution des dommages du liant obtenus à partir des essais LAS, interprétés à l'aide du cadre du modèle de dommage viscoélastique continu simplifié (S-VECD), avec la durée de vie en fatigue du mélange. Comme illustré dans Figure 6, de fortes corrélations linéaires sont observées entre la dégradation progressive du liant et les performances en fatigue du mélange. Pour les trois binders, les coefficients de corrélation dépassent 0,9, ce qui démontre un lien solide et cohérent entre les caractéristiques de dommage au niveau du liant et la résistance à la fatigue à l'échelle du mélange.

Figure 6 : Corrélation entre l'endommagement par fatigue du bitume et la durée de vie en fatigue du mélange N_f. (A) Bitume A ; (B) Bitume B ; (C) Bitume C. Comme le montre la figure 6, l'endommagement par fatigue du bitume présentait une forte corrélation positive avec la durée de vie en fatigue Nf des mélanges bitumineux. De hauts coefficients de détermination ont été obtenus pour les bitumes A, B et C, indiquant que les paramètres d'endommagement par fatigue peuvent caractériser efficacement le comportement en fatigue des mélanges bitumineux. Par rapport au facteur de fatigue conventionnel du liant G∗sinδ, l'endommagement par fatigue fournit une représentation plus directe du comportement de dégradation en fatigue des mélanges bitumineux. Veuillez cliquer ici pour afficher une version agrandie de cette figure.

Dans l'ensemble, les résultats de fatigue à l'échelle du mélange confirment que la performance en fatigue est conjointement régie par la composition du mélange, la technologie des enrobés à chaud modifiée (ECM) et les caractéristiques du liant. Alors que les indicateurs rhéologiques conventionnels offrent une capacité prédictive limitée pour certains liants, les métriques de dommage basées sur le LAS–S-VECD démontrent des corrélations fortes et cohérentes avec la durée de vie en fatigue du mélange. Ces résultats valident la caractérisation du dommage à l'échelle du liant comme un substitut efficace pour évaluer la durabilité du mélange et fournissent une base mécanistique pour la conception des chaussées fondée sur la performance. Les réponses nettement différentes des trois liants bitumineux à la modification par technologie ECM peuvent être attribuées fondamentalement à des variations de leur composition chimique d'origine pétrolière et des structures colloïdales qui en résultent. Les liants bitumineux sont généralement considérés comme des systèmes colloïdaux composés d'asphaltènes dispersés dans une phase de maltènes comprenant des composés aromatiques, des résines et des saturés. L'équilibre entre ces fractions détermine la sensibilité du liant aux agents modificateurs externes, tels que les additifs pour enrobés à chaud modifiée. Pour le bitume de Karamay (Liant A), la teneur relativement élevée en résines et la faible fraction en paraffines conduisent à un réseau d'asphaltènes plus dispersé, avec une stabilité structurelle interne plus faible. Dans ce système, l'ajout de l'additif ECM modifie significativement la viscosité et la mobilité moléculaire, entraînant une dissipation d'énergie accrue et des valeurs plus élevées de G*sin δ. Cela indique que l'additif modifie activement les interactions de phase internes, rendant le liant plus sensible à la déformation cyclique et, par conséquent, accélérant l'accumulation des dommages par fatigue à l'échelle du liant.

En revanche, l'asphalte issu de CNOOC (liant B) présente une composition plus équilibrée de type naphténique avec une structure colloïdale stable. L'équilibre entre asphaltènes et résines dans ce liant assure un réseau interne relativement robuste, ce qui limite la pénétration et l'influence structurelle de l'additif pour mélange à chaud. Par conséquent, des changements minimes dans le comportement rhéologique et l'évolution de l'endommagement sont observés, indiquant que l'effet de l'additif est largement restreint par la stabilité intrinsèque de la microstructure du liant. Pour l'asphalte issu de PetroChina (liant C), les fractions liées à une polarité plus élevée et la complexité accrue des asphaltènes entraînent une microstructure plus rigide et sensible à l'aggrégation. Dans ce cas, l'additif pour mélange à chaud semble présenter un comportement d'activation dépendant d'un seuil, dont l'influence ne devient plus marquée qu'après une accumulation importante de dommages. Cela suggère que l'additif n'interagit pas fortement avec la structure colloïdale initiale, mais affecte plutôt le processus ultérieur d'évolution de l'endommagement en modifiant les voies de redistribution des contraintes.

Dans l'ensemble, ces résultats démontrent que l'efficacité de la modification par mélange à chaud n'est pas universelle, mais fortement déterminée par la stabilité colloïdale intrinsèque et la composition chimique de l'asphalte de base. Les différences observées dans l'évolution de l'endommagement S-VECD et dans la performance en fatigue du mélange peuvent donc être directement reliées à l'hétérogénéité microstructurale des trois liants, fournissant ainsi une explication mécanistique du comportement dépendant de la source pétrolière observé dans les essais rhéologiques et de fatigue.

DISPONIBILITÉ DES DONNÉES :
Toutes les données, modèles et codes générés ou utilisés pendant l'étude sont disponibles dans le dossier supplémentaire intitulé « Données brutes ».

Discussion

Cette étude propose un cadre d'évaluation de la fatigue à plusieurs échelles intégrant des essais de balayage linéaire en amplitude (LAS) au niveau du liant avec le modèle de dommage viscoélastique continu simplifié (S-VECD) et des essais de fatigue en flexion à quatre points au niveau du mélange, afin d'établir un lien mécanistique entre l'évolution du dommage du liant bitumineux et les performances en fatigue du mélange. Contrairement aux approches conventionnelles d'évaluation de la fatigue qui reposent principalement sur des indicateurs rhéologiques empiriques, tels que G*·sin δ, le cadre proposé utilise des paramètres liés au dommage dérivés de la mécanique du dommage continu pour caractériser le comportement intrinsèque de dégradation des liants bitumineux sous chargement cyclique. En intégrant l'origine du pétrole brut du bitume comme facteur influent, cette étude démontre en outre que l'efficacité de la modification par mélange à chaud n'est pas universelle, mais dépend fortement de la composition chimique et de la structure colloïdale du liant de base. Ces résultats apportent de nouvelles perspectives sur les interactions entre la source de pétrole brut, les additifs pour mélange à chaud, la sensibilité au vieillissement et la résistance à la fatigue, établissant ainsi une approche plus fondée sur des mécanismes pour l'évaluation des matériaux bitumineux. Des études antérieures ont souligné le potentiel de l'analyse LAS–S-VECD pour la caractérisation de la fatigue du liant ; toutefois, son applicabilité directe pour prédire les performances en fatigue à l'échelle du mélange fait toujours l'objet d'investigations continues. Ce travail contribue à ce domaine de recherche en validant la relation entre l'évolution du dommage du liant et le comportement en fatigue du mélange à travers plusieurs systèmes de liants.

Le cadre proposé fait progresser la compréhension scientifique des mécanismes de fatigue des enrobés en comblant le fossé entre la caractérisation rhéologique à l'échelle du liant et le comportement structural à l'échelle du mélange. Les méthodes classiques d'évaluation des liants fournissent souvent des informations limitées sur l'accumulation progressive des dommages de fatigue, car des paramètres tels que le module complexe et l'angle de phase décrivent principalement des réponses viscoélastiques instantanées plutôt que l'évolution des dommages. En revanche, l'approche S-VECD considère les liants asphaltiques comme des matériaux viscoélastiques en dégradation continue et fournit des descripteurs quantitatifs de la perte d'intégrité structurale durant le chargement en fatigue. Les fortes corrélations obtenues entre les paramètres LAS–S-VECD et la durée de vie en fatigue du mélange dans cette étude indiquent que l'évolution des dommages à l'échelle du liant peut fournir des informations significatives concernant le stade d'initiation de la fissuration du mélange. Des résultats similaires ont suggéré que des paramètres mécanistes fondés sur les dommages pourraient offrir une capacité prédictive améliorée par rapport aux indices rhéologiques conventionnels. Cette étude élargit donc les recherches actuelles sur la fatigue des asphaltes en apportant une preuve expérimentale que la mécanique des dommages à l'échelle du liant peut servir de pont vers une conception des matériaux de chaussée fondée sur la performance.

Malgré les résultats prometteurs, plusieurs limites doivent être reconnues. Premièrement, l'étude actuelle a été menée à l'aide de trois liants asphaltiques provenant de sources spécifiques de pétrole brut et d'une granularité d'agrégat unique ; par conséquent, l'universalité de la relation proposée nécessite une validation supplémentaire à l'aide d'une gamme plus étendue de liants, de technologies de modification et de conceptions de mélange. Bien que les liants sélectionnés représentent des matériaux de chaussée typiques utilisés dans la pratique du génie civil, les matériaux asphaltiques présentent une variabilité considérable en raison des différences d'origine du brut, du procédé de raffinage et de la composition chimique. Deuxièmement, les essais de fatigue en laboratoire ont été réalisés dans des conditions contrôlées de température et de chargement, alors que les structures réelles de chaussée sont soumises à des facteurs environnementaux complexes, incluant des fluctuations de température, l'infiltration d'humidité, la variabilité des charges de trafic et le vieillissement à long terme. Troisièmement, bien que les paramètres LAS–S-VECD aient montré de fortes corrélations avec la performance en fatigue du mélange, la base de données actuelle est insuffisante pour établir un modèle prédictif universel applicable à tous les systèmes asphaltiques. Par conséquent, les études futures devraient intégrer des bases de données plus vastes et des observations de performance sur le terrain afin d'améliorer davantage la robustesse et la transférabilité de l'approche proposée.

D'autres approches peuvent également être envisagées afin d'approfondir l'étude de la relation entre l'évolution de l'endommagement du liant et les performances en fatigue du mélange. Par exemple, des techniques avancées de caractérisation chimique, telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la résonance magnétique nucléaire (NMR) et la simulation par dynamique moléculaire, pourraient fournir des informations supplémentaires sur les mécanismes moléculaires régissant le comportement en fatigue dépendant de la source d'huile. Des études antérieures ont montré que les variations de la structure moléculaire de l'asphalte, notamment l'agrégation des asphaltènes, la distribution des composés aromatiques et les interactions liées à la polarité, influencent de manière significative la réponse rhéologique et la sensibilité au vieillissement. En outre, des techniques d'imagerie avancées, telles que la microscopie à force atomique (AFM) et les méthodes de caractérisation basées sur les rayons X, pourraient être utilisées afin d'observer directement l'évolution de la microstructure pendant l'accumulation des dommages en fatigue. La combinaison de ces approches avec l'analyse LAS–S-VECD pourrait permettre une compréhension plus complète de la relation entre la structure moléculaire, la mécanique de l'endommagement du liant et les performances macroscopiques de la chaussée.

La méthodologie proposée basée sur le LAS–S-VECD présente des applications potentielles importantes dans plusieurs domaines de la génie des chaussées et de la science des matériaux. D'un point de vue pratique, ce cadre peut être utilisé comme outil de criblage efficace pour évaluer les liants candidats, sélectionner des additifs appropriés pour les enrobés à température réduite et évaluer la sensibilité au vieillissement avant de réaliser des expériences de fatigue à l'échelle du mélange, qui sont longues à mettre en œuvre. Par rapport aux spécifications empiriques traditionnelles, l'approche proposée fournit une base mécanistique pour la conception des chaussées orientée vers la performance, en reliant directement les caractéristiques de dommage du liant à la durabilité structurelle. Ceci est particulièrement précieux pour les technologies durables de chaussées, où l'utilisation croissante d'enrobés à température réduite, de matériaux recyclés et de liants alternatifs exige des méthodes fiables pour prédire la performance à long terme. En outre, la méthodologie pourrait contribuer au développement de systèmes de conception des chaussées fondés sur les données en fournissant des descripteurs physiquement significatifs de la fatigue, pouvant être intégrés à des modèles prédictifs et à des cadres d'évaluation du cycle de vie.

Les recherches futures devraient se concentrer sur l'élargissement de l'applicabilité du cadre proposé afin de permettre une prédiction plus complète et orientée vers le terrain des performances des chaussées. Les études futures devraient inclure des bases de données plus vastes sur les liants, couvrant différentes sources de pétrole brut, les liants modifiés par polymères, les matériaux d'enrobés recyclés et les nouveaux additifs durables, afin d'établir des modèles de prédiction de la fatigue plus généralisés. En outre, l'intégration de l'analyse LAS–S-VECD avec des méthodes de caractérisation multi-échelle, des approches d'intelligence artificielle et des simulations à l'échelle moléculaire pourrait améliorer davantage la compréhension et la précision des prédictions du comportement en fatigue des bitumes. Un suivi à long terme sur le terrain et des essais accélérés de chaussées devraient également être intégrés afin de valider les prédictions basées sur des laboratoires dans des conditions réelles d'utilisation. En définitive, la combinaison de la modélisation mécanistique des dommages, de la caractérisation avancée des matériaux et de stratégies de conception fondées sur la performance devrait faciliter le développement de systèmes de chaussées en enrobé plus durables, durables et fiables.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Liant A / AO, bitume de Karamay	Source de pétrole brut de Karamay, Chine	N/A	Liant bitumineux de base
Liant B / BO, bitume CNOOC 36-1	Source de pétrole brut offshore CNOOC 36-1, Chine	N/A	Liant bitumineux de base
Liant C / CO, bitume PetroChina	Source à base de pétrole brut vénézuélien Boscan de PetroChina	N/A	Liant bitumineux de base
Additif pour mélange à température réduite Evotherm M1	Ingevity / MeadWestvaco	Evotherm M1	Additif pour la préparation de liants de mélange à température réduite
Rhéomètre à cisaillement dynamique	Malvern	Kinexus DSR+	Utilisé pour les essais de balayage en température DSR et les essais LAS
Appareil d'essai en four à pellicule mince tournante	Shanghai Changji	SYD-0610	Utilisé pour le vieillissement à court terme
Enceinte de vieillissement sous pression	InstroTek	PAV-9300	Utilisée pour le vieillissement à long terme
Système d'essai de fatigue en flexion à quatre points	Cooper Research Technology	SA4PT	Utilisé pour les essais de fatigue en déformation contrôlée des mélanges
Cadre d'analyse S-VECD	analyse de données	N/A	Utilisé pour calculer les paramètres de dommage dérivés de l'essai LAS
Logiciel d'analyse de données	Origin	OriginPro 2024	Utilisé pour l'ajustement par régression, l'analyse de corrélation et la réalisation de graphiques